1电分析化学导论省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

分析科学与分析技术

（仪器分析部分）1/48概述

Generalization

分析化学是人们用来认识、解剖自然主要伎俩之一；分析化学是研究获取物质组成、形态、结构等信息及其相关理论科学；分析化学是化学中信息科学；

20世纪40年代前：分析化学=化学分析；

越来越多问题化学分析不能处理：快速、实时检测方法？痕量分析方法？结构确定？2/48仪器分析发展和作用

Roleanddevelopmentofinstrumentanalysis

20世纪40年代后：仪器分析大发展时期，确立了仪器分析地位；原因：（1）物理学+电子技术+精密仪器制造技术发展；（2）社会发展迫切需要（发展动力，连续化大生产迫切需要）；分析化学=化学分析+仪器分析；仪器分析：经过最正确物理方法获取尽可能多化学信息3/48仪器分析发展过程

Developingprocessofinstrumentanalysis

分析化学三个发展阶段，三次变革阶段一：16世纪，天平出现。分析化学含有了科学内涵；20世纪初，依据溶液中四大反应平衡理论，形成份析化学理论基础。分析化学由一门操作技术变成一门科学；分析化学第一次变革；20世纪40年代前，化学分析占主导地位，仪器分析种类少和精度低；4/48阶段二：20世纪40年代后，仪器分析大发展时期仪器分析使分析速度加紧，促进化学工业发展；化学分析与仪器分析并重，仪器分析自动化程度低；为何出现在这一时期？一系列重大科学发觉，为仪器分析建立和发展奠定基础；BlochF和PurcellEM:建立了核磁共振测定方法,1952年诺贝尔物理奖;

MartinAJP和SyngeRLM:建立了气相色谱分析法,1952年诺贝尔化学奖HeyrovskyJ:建立极谱分析法，诺贝尔化学奖1959年

仪器分析发展引发了分析化学第二次变革。5/48阶段三：

八十年代初，以计算机应用为标志分析化学第三次变革

计算机控制分析数据采集与处理：实现分析过程连续、快速、实时、智能；促进化学计量学建立。

化学计量学：利用数学、统计学方法设计选择最正确分析条件，取得最大程度化学信息。化学信息学：化学信息处理、查询、挖掘、优化等。

以计算机为基础新仪器出现：傅里叶变换红外；色-质联用仪。

6/48SevereAcuteRespiratorySyndrome(SARS)Moleculartests(PCR)

Antibodytests

Cellculture

coronavirus7/48破译生命天书——年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目责任人弗朗西斯·柯林斯博士在华盛顿盛大宣告，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划全部目标全部实现。由美、英、日、法、德和中国科学家经过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，在人类揭示生命奥秘、认识自我漫漫长路上又迈出了主要一步。

TheHumanGenomeProject(HGP)referstotheinternational13-yeareffort,formallybeguninOctober1990andcompletedin,todiscoveralltheestimated30,000humangenesandmakethemaccessibleforfurtherbiologicalstudy.Anotherprojectgoalwastodeterminethecompletesequenceofthe3billionDNAsubunits(basesinthehumangenome).8/48Tanakareceivedtheprizeforthedevelopmentofsoftdesorptionionizationmethods

formassspectrometricanalysesofbiologicalmacromoleculestoidentifyandrevealthestructuresofsuchmolecules.Tanakaisthe12thJapanesecitizenwhohasreceivedaNobelPrize.TanakaisthefirsteverpersontowintheNobelPrizewithoutamaster'sordoctor'sdegree,havingbecomearesearcheraftergraduatingfromuniversitywithoutenteringagraduateschool.TheawardcausedasensationinandoutsideofJapansincetheLaureatehimselfandevenhisassociatesfoundithardtobelievethatsuchanawardwouldbebestowed.

OnDecember10th,,NobelPrizeAwardCeremonytookplaceinStockholm,Sweden.KoichiTanaka,fellowofShimadzuCorporation,receivedhisNobelmedalanddiplomainChemistryfromhisMajestytheKingofSweden,KingCarlXVIGustaf.

9/4810/4811/48仪器分析方法分类Classificationofinstrumentanalyticalmethod仪器分析电化学分析法光分析法色谱分析法热分析法分析仪器联用技术质谱分析法12/48仪器分析应用领域

Applicationfieldsofinstrumentanalysis

社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（DNA技术，物证）;化学：新化合物结构表征；分子层次上分析方法；生命科学：DNA测序；活体检测；环境科学：环境监测；污染物分析；材料科学：新材料，结构与性能；药品：天然药品有效成份与结构，构效关系研究；外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器研制。13/48仪器分析发展方向

微型高效自动智能14/48分析化学研究主要机构与著名学者

中国科学院长春应用电化学研究所：汪尔康院士中国科学院大连化学与物理研究所：卢佩章、张玉奎院士

北京大学：高小霞院士

厦门大学：黄本立院士

西北大学：高鸿院士

湖南大学：俞如勤院士/姚守拙院士

东北大学：方肇伦院士

南京大学：陈洪渊院士15/48分析化学研究主要机构与著名学者

中国科学院化学所：陈义

北京大学：邵元华

清华大学：罗国安、李景红

武汉大学：程介克、庞代文

中科院长春应化所：董绍俊

中国科技大学：林祥钦

中山大学：莫金垣

山东大学：金文睿16/48

复旦大学：杨芃原、孔继烈、张祥明、刘宝红

交通大学：任吉存

华东师范大学

方禹之、何品刚（王清江、程圭芳）

金利通（张文、施国跃、鲜跃仲）

叶建农(楚清脆)17/48课程主要内容Maincontentof

thecourse

仪器分析方法：方法原理、仪器结构、操作条件选择、应用

四大类：光分析法、电分析法、色谱分析法、其它分析法无机物分析；有机物分析；化合物结构分析；

特点：内容繁多、各成体系；每类方法有其特点、内在规律、应用范围；18/48课程学习方法

learningmethodofthecourse

抓住根本特点——原理——用途；重点在原理归纳共性与个性色谱法：共性：复杂混合物分离分析个性：流动相-原理-对象处理好整体与局部分析仪器——结构流程——关键部件19/48参考书《仪器分析》北京大学出版社，北京大学《仪器分析》高等教育出版社1990年，赵藻藩等《仪器分析》（第三版）高等教育出版社年，朱明华《仪器分析原理》方惠群等；南京大学出版社1994《Principlesofinstrumentalanalysis》SkoogDASaundersCollegePublishing,2ed1980《仪器分析》北京大学出版社，ChristianGD，王镇浦译《仪器分析》清华大学出版社，1991年,邓勃等《仪器分析手册》化学工业出版社1997年，朱良漪，《仪器分析解题指南与习题》高教出版社1998年，施荫玉等《分析化学学习指导》大连理工大学出版社年，刘志广20/48电化学分析参考书《电化学分析导论》，科学出版社，高小霞等，1986《电化学分析》，中国科大出版社，蒲国刚等，1993《电分析化学》，北师大出版社，李启隆等，1995《近代分析化学》，高等教育出版社，朱明华等，199121/48色谱分析参考书《近代色谱分析》国防工业出版社1998，傅若农等著；《气相色谱分析原理与技术》，化学工业出版社，孙传经等，1985《高压液相色谱法》，原子能出版社，金恒亮等，1987《毛细管色谱法》，化学工业出版社，孙传经等，199122/48光谱分析参考书《光谱导论》石油大学出版社1992，李新安等译；《近代原子光谱分析》，辽宁大学出版社，马成龙等，1989《光谱解析法在有机化学中应用》，科学出版社，洪海上，1981；《有机化合物结构判定与有机波谱学》，清华大学出版社，宁永成，1989；《有机化合物波谱分析》，人民卫生出版社，姚新生等，198123/48电分析化学引论

(AnintroductiontoElectroanalyticalMethods)

1电分析化学定义(Definition)

定义：

依据被测物质溶液所展现电化学性质及其改变而建立起来分析方法。

测量某一化学体系或试样电响应为基础建立起来一类分析方法。

依据电化学原理和物质电化学性质而建立起来一类分析方法。它通常是使待分析试样溶液组成一化学电池（原电池或电解池），依据所组成电池一些物理量（如两电极间电位差、经过电解池电流或电量、电解质溶液电阻等）与其化学量之间内在联络来进行测定。24/48电化学分析方法分类Classificationofelectrochemicalanalysis电化学分析法电位分析法电解分析法电泳分析法库仑分析法极谱与伏安分析法电导分析法25/48电化学方法分类和特点

TypesandCharacteristicsofElectroanalyticalMethods

电参量

分析方法电导 电导法电极电位 电位法/离子选择性电极法电量 库仑法电流-电压 极谱法/伏安法电化学分析方法习惯地按照测量电化学参数分类：

利用溶液浓度在某种特定条件下与化学电池某个电物理量(电参量)之间有直接定量关系，经过测量电参量进行分析。26/48电化学方法分类和特点

TypesandCharacteristicsofElectroanalyticalMethods

经过测定化学电池中某一电参量突变作为容量分析终点指示——电容量分析法：电位滴定法、电导滴定法、电流滴定法等。

经过电极反应将试液中待测组分转变为固相析出并与其它组分分离，进行重量或容量分析：电解分析法/电重量法IUPAC分类：

即不包括双电层，也不包括电极反应：电导分析

包括双电层，但不包括电极反应：表面张力和非法拉第阻抗测量

包括电极反应：电位分析法、电解分析法、库仑分析、极谱和伏安分析27/48电化学方法特点

CharacteristicsofElectroanalyticalMethods

准确度高

灵敏度高

选择性好

可测定组分含量范围宽

仪器设备简单，自动化，连续分析不论哪一个电分析方法，都是以化学电池特征为基础。28/48近代电分析化学发展

方法上:追求高灵敏度和超高选择性倾向造成由宏观向介观到微观尺度前进，出现了不少新型电极体系；

技术上:伴随表面科学、纳米技术和物理谱学等兴起，利用交叉学科方法将声、光、电、磁等功效有机地结合到电化学界面，从而到达实时、现场和活体监测目标以及分子和原子水平；

应用上:侧重生命科学领域中相关问题研究，如生物、医学、药学、人口与健康等，为处理生命现象中一些基本过程和分子识别作用显示出潜在应用价值。29/48电分析化学方法进展

化学修饰电极(ChemicallyModifiedElectrode)与自组装膜(SelfAssemblymembrane)

离子选择电极

超微电极和纳米电极

色谱电化学和毛细管电泳电化学30/48电分析化学方法进展

交叉学科联用技术

光谱电化学法

电化学扫描隧道显微镜法和电化学原子力显微镜法

扫描电化学显微镜法

电化学石英晶体微天平31/48电分析化学方法进展

在生命科学中研究与应用

蛋白质和酶直接电化学

生物膜

生物传感器和有机相生物传感器

免疫分析：电化学免疫分析/电化学发光免疫分析/离子通道免疫传感器/电容免疫传感器

单细胞水平检测

仿生电化学释放32/48主要参考书目《仪器分析原理》科学出版社年第一版《分析化学》（下册）高等教育出版社年第三版《仪器分析教程》北京大学出版社1997年第一版《仪器分析》陈允魁编著上海交通大学出版社1992年第一版《化学分析》(仪器分析部分)林树昌曾泳淮编高等教育出版社1994年第一版《仪器分析》李启隆等编北京师范大学出版社1990年第一版《仪器分析》朱明华编高等教育出版社1993年第二版《电分析化学》李启隆编著北京师范大学出版社1995年第一版33/48电化学分析中常见概念原电池与电解池

电极电位液体接界电位34/48原电池与电解池

电解池：实现化学反应所需能量是由外部电源供给

原电池：化学电池自发地将化学能转化为电能35/48锌-铜原电池36/48化学电池表示方式

电极反应阳极反应：ZnZn2++2e（氧化反应）阴极反应：Cu2++2e

Cu

(还原反应)

电化学池图解表示方式Zn|ZnSO4(1mol/L)||CuSO4(1mol/L)|CuEcell=φ右，还原–φ左，氧化若：Ecell0，电池反应自发进行，原电池

Ecell0，电池反应不能自发进行，必须外加电压，电解池37/48化学电池书写注意事项为了方便，原电池装置可用符号表示。书写电池通例以下：1．普通将负极写在左边，正极写在右边。2．写出电极化学组成及物态，气态要注明压力（单位为kPa），溶液要注明浓度。3．单线“│”表示电极与溶液界面。4．同一相中不一样物质之间以及电极中其它相界面均用“，”分开。5．双线“‖”表示盐桥。6．气体或液体不能直接作为电极，必须附以不活泼金属（如铂）作电极起导体作用。纯气体、液体如H2（g）、Br2(l)紧靠电极板。38/48电极电位

定义：

金属-溶液界面中因为带电质点迁移，使两相界面两边产生电位差

金属能够看成是离子与自由电子组成。金属离子以点阵结构排列，电子在其中运动。如：锌片与ZnSO4溶液接触，金属中Zn2+化学势大于溶液中Zn2+化学势，Zn不停溶解到溶液中，电子被留在Zn片上，使金属带负电，溶液带正电，两相间形成双电层。双电层形成，破坏了原来金属和溶液两相间电中性，形成了电位差。因为电位差存在，从而排斥了Zn2+继续进入溶液，金属表面负电荷对溶液中Zn2+又有吸引力，最终到达动态平衡，此时两相之间电位差就是平衡电极电位。Electrodepotential:thedifferencebetweenthechargeonanelectrodeandthechargeinthesolution.39/48

形成原因：

带电质点迁移表述形式：

Nernst方程：E=E0+[（RT）/（nF）]ln

Mn+电极电位40/48影响电极电位原因

金属与溶液间电位差大小，取决于金属性质，溶液中离子浓度和温度；

金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高；

在同一个金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高，浓度越小，电位越低；

温度越高，电位越高，温度越低，电位越低。41/48电极电位测定标准氢电极(StandardHydrogenElectrode,S.H.E)

电极电位绝对值是无法测定，但能够选定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比较，就可得到各种电极电极电位相对值。国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）选定“标准氢电极”作为比较标准。

标准氢电极是氢离子浓度为1mol·L-1,氢气压力为101.325kPa电极。国际上要求，标准氢电极电极电位为零。用符号

H+/H2=0表示。其电极书写为：H+(1mol.L-1),H2(101.325kPa)│Pt42/48标准氢电极结构示意图

容器中装有H＋浓度为1mol·L-1溶液，插入一铂片。为了增大吸附氢气能力，铂片表面上镀一层疏松铂黑。在298K时，不停从套管支管中通入压力为101.325kPa纯氢气，H2被铂黑吸附直到饱和。这时整个铂黑片好像是由氢气组成，铂黑吸咐H2和溶液中H＋组成了氢电极标准氢电极结构示意图43/48电极电位测定举例

IUPAC要求任何电极电位是：它与标准氢电极组成原电池，所测得电动势作为该电极电极电位；电子经过外电路，由标